Все новости

Российские ученые выяснили, как именно в урановых таблетках формируются пузырьки газа

Узнать это помогло суперкомпьютерное моделирование

ТАСС, 25 марта. Российские физики обнаружили механизм, который объясняет, почему пузырьки газа внутри таблеток ядерного топлива образуются очень быстро. Это открытие позволит сделать ядерные реакторы более эффективными и безопасными, пишет пресс-служба МФТИ со ссылкой на статью в Journal of Nuclear Materials.

"Суперкомпьютерное моделирование позволило обнаружить неожиданный механизм ускорения выхода газовых пузырей из кристаллической матрицы диоксида урана на поверхность. Этот результат указывает путь для устранения парадоксального расхождения в несколько порядков между существующими теоретическими моделями и результатами экспериментов с ядерным топливом", – говорится в сообщении.

Ядерное топливо представляет собой порошок из окиси урана, а также различных органических и неорганических присадок, спрессованный в таблетки весом в несколько грамм. Их производство и использование – сложный процесс, так как внутренняя структура и химический состав этих капсул меняется по мере распада атомов урана и взаимодействия радиации с оболочками этих таблеток.

Понимание того, как происходят эти изменения, важны по нескольким причинам. С одной стороны, безопасность ядерного реактора напрямую зависит от того, как эти таблетки деформируются и как протекает их химическая эволюция. С другой, меняющийся состав этих капсул влияет на то, как долго расщепляющиеся вещества будут вырабатывать энергию.

Физики МФТИ Владимир Стегайлов и Александр Антропов изучили один из подобных процессов, в результате которого внутри таблеток ядерного топлива формируются пузырьки из ксенона и других газов, а потом попадают во внешнюю среду.

Это явление изучено достаточно хорошо, однако ученые до сих пор не знают, какие процессы управляют выделением газа и какие факторы влияют на формирование его пузырьков. В частности, недавно  исследователи выяснили, что этот процесс протекает в десятки раз быстрее, чем указывают простые теоретические модели.

Российские ученые нашли причину этого и определили, по какому механизму формируются пузырьки ксенона. Они просчитали, как происходит этот процесс на уровне отдельных атомов, с помощью суперкомпьютеров и алгоритмов, которые недавно разработали для просчета формирования и поведения пустот внутри таблеток ядерного топлива.

Новые расчеты показали, что пузырьки газа будут формироваться под действием того же аналога силы Архимеда, который, как обнаружили физики год назад, влияет на рост и миграции пустот в толще таблеток ядерного топлива. В частности, ученые выяснили, что пузырьки газа будут особым образом взаимодействовать с атомами урана, выталкивая их из кристаллической решетки и заставляя собираться в скопления, которые будут быстро перемещаться вокруг пузыря.

Эти группы атомов урана и газа, по словам исследователей, будут постоянно подталкивать друг друга. Это ускоряет их миграции и объясняет, почему пузырьки ксенона и других газообразных продуктов распада урана покидают таблетки ядерного топлива в десятки раз быстрее, чем на то указывает теория.

Открытие этого явления, как надеются ученые, поможет создать более эффективные варианты упаковки ядерного топлива, которые не только повысят его безопасность, но и сделают их более долговечными и эффективными.